Découvrez les causes de l'aberration sphérique en photographie et 3 façons de la réduire

En photographie, il existe de nombreuses aberrations optiques – ou imperfections – causées par la façon dont les surfaces de l'objectif focalisent la lumière qu'elles captent. Lorsque les rayons lumineux traversant un système optique ne parviennent pas à converger en un seul point, cela affecte négativement la formation de l'image et réduit la qualité de l'image.

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Il existe deux types d'aberrations de l'objectif : chromatique (l'incapacité à focaliser différentes longueurs d'onde de couleur au même point) ; et monochromatique (lorsque les objectifs ne peuvent pas focaliser une seule couleur de lumière). Parmi les cinq sous-types de monochromatique, l'un des plus courants est l'aberration sphérique.

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• Qu'est-ce que l'aberration sphérique en photographie ?
• Qu'est-ce qui cause l'aberration sphérique?
• Quelle est la différence entre l'aberration sphérique positive et négative?
• Quel est l'impact de l'aberration sphérique en photographie ?
• Comment réduire l'aberration sphérique ?

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Qu'est-ce que l'aberration sphérique en photographie ?

L'aberration sphérique se produit lorsque les rayons lumineux entrants traversent des lentilles à surfaces sphériques et se concentrent en différents points sur le capteur d'une caméra. C'est un sous-type d'aberration monochromatique, une imperfection causée par une lentille se concentrant sur une seule couleur de lumière.

• Il est plus facile et moins cher de former des surfaces sphériques que celles avec des surfaces asphériques ou des caractéristiques d'indice de gradient, de sorte que les fabricants produisent généralement des lentilles et des miroirs incurvés avec des surfaces sphériques.
• Les rayons lumineux qui traversent des surfaces sphériques près de l'axe horizontal (rayons paraxiaux) se réfractent moins que les rayons qui passent plus près du bord (rayons périphériques). En conséquence, les rayons lumineux parallèles se retrouvent à différents endroits sur l'axe optique, sans jamais converger.
• Lorsqu'un front d'onde présente une aberration sphérique, les rayons périphériques se concentrent plus près de la lentille que les rayons paraxiaux. La différence entre l'endroit où les deux types de rayons se concentrent en fin de compte est un moyen de mesurer la gravité de l'aberration sphérique dans un système.

Qu'est-ce qui cause l'aberration sphérique?

Trois facteurs provoquent des aberrations sphériques : la conception de l'objectif, la qualité du matériau en verre d'un objectif et le placement des éléments dans le boîtier de l'objectif. Les matériaux de mauvaise qualité et les grosses bulles peuvent avoir un impact considérable sur la réflexion de la lumière.

Dans un objectif parfait, tous les rayons lumineux le traverseraient et convergeraient en un seul point focal. Les fabricants ont développé au fil des ans des méthodes précises et spécialisées pour réduire l'effet de l'aberration sphérique.

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Quelle est la différence entre l'aberration sphérique positive et négative?

L'aberration sphérique positive se produit lorsque les rayons périphériques sont trop courbés. L'aberration sphérique négative se produit lorsque les rayons périphériques ne sont pas assez courbés. L'effet est proportionnel à la quatrième puissance du diamètre et inversement proportionnel à la troisième puissance de la distance focale, il est donc beaucoup plus prononcé aux courtes focales ou aux objectifs rapides.

• Les lentilles sphériques ont des points aplanétiques (pas d'aberration sphérique) uniquement à un rayon égal au rayon de la sphère divisé par l'indice de réfraction du matériau de la lentille.
• Alors que l'aberration sphérique se produit dans un miroir ou une lentille sphérique parce qu'ils focalisent les rayons parallèles le long d'une ligne au lieu d'un point, la courbure du champ ou la courbure du champ de Petzval résulte du fait que le plan focal n'est en fait pas plan, mais sphérique.

Quel est l'impact de l'aberration sphérique en photographie ?

L'aberration sphérique affecte négativement la qualité d'image produite par un système optique de plusieurs manières.

• Vu à travers une lentille à aberration sphérique, un point lumineux aura un effet de halo assez uniforme au centre et sur les bords d'une image.
• Lorsque les rayons lumineux parallèles ne convergent pas au même point, cela réduit la force focale, ce qui nuit à la fois à la résolution et à la clarté de l'image. Cela rend difficile pour un photographe d'obtenir des images nettes.
• Lors de l'utilisation d'objectifs à grande ouverture, les photographes peuvent également rencontrer une aberration chromatique, l'incapacité d'un objectif à focaliser toutes les couleurs au même point. Une correction d'aberration sphérique incohérente entre différentes longueurs d'onde peut entraîner une teinte magenta pour les zones floues au premier plan et une teinte verdâtre dans la partie floue de l'arrière-plan, ou vice-versa.

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Comment réduire l'aberration sphérique ?

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Il existe deux méthodes principales pour réduire l'aberration sphérique. Celui qui vous convient le mieux peut dépendre de votre budget.

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• L'utilisation d'une surface de lentille asphérique (non sphérique) spécialisée, qui se courbe vers l'extérieur d'un côté dans le but de faire converger les rayons lumineux en un seul point focal, peut résoudre l'aberration sphérique (ainsi que l'aberration comatique et l'astigmatisme). Si vous pouvez vous permettre des lentilles asphériques, c'est une excellente option.
• Bien qu'elles ne soient pas bon marché, les lentilles à gradient d'indice, dont l'indice de réfraction est le plus élevé au centre de la lentille et diminue progressivement plus près du bord de la lentille, peuvent également éliminer l'aberration sphérique.

Les photographes peuvent également minimiser l'effet de l'aberration sphérique dans les systèmes d'objectifs en utilisant un objectif convexe et un objectif concave dans une combinaison spéciale.

• Lorsque le diaphragme de l'objectif est grand ouvert, à ouverture maximale, l'aberration sphérique est la plus prononcée. Les lames d'ouverture bloquent les bords extérieurs d'une lentille sphérique, donc arrêter la lentille, même d'un seul arrêt, peut réduire considérablement l'aberration sphérique. Si vous fermez l'ouverture, en éliminant les rayons lumineux les plus latéraux, la zone de meilleure mise au point semble s'éloigner de l'objectif. Si vous ne pouvez pas vous permettre une lentille asphérique, c'est un bon moyen d'améliorer votre image.

Une autre façon pour les fabricants de lentilles de réduire l'aberration sphérique est d'utiliser des plaques de compensation ou des plaques de correction. Facilement insérés dans un système, ces composants optiques à élément unique peuvent réduire la taille du spot et améliorer considérablement la qualité de l'image sans une refonte complète du système et sans l'inclusion de logiciels coûteux et chronophages et de commandes optiques adaptatives.

Pour les conceptions simples, vous pouvez calculer des paramètres qui minimisent l'aberration sphérique. Si, par exemple, vous avez un seul objectif avec des surfaces sphériques et une distance d'objet, une distance d'image et un indice de réfraction donnés, vous pouvez minimiser l'aberration sphérique en ajustant les rayons de courbure des surfaces avant et arrière de l'objectif.

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